CN108205258A - 具有两个冗余的组件的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两个彼此监控的组件，二者分别包含电流或电压源，组件经由第一可控开关和第一电流传感器与第一线路端口连接。两个组件还分别具有第二线路端口和接地端口，在二者之间第二电流传感器与第二可控开关串联。第一组件的第一线路端口经由第一线路与第二组件的第二线路端口连接，第二组件的第一线路端口经由第二线路与第一组件的第二线路端口连接。每个组件都在作用状态中闭合包含在其中的可控开关且包含与其两个电流传感器连接的监控装置，当两个电流传感器中的至少一个探测到电流时，监控装置生成将相对应的另一个组件识别为能作用的监控信号。

Description

具有两个冗余的组件的装置

技术领域

本发明涉及一种具有两个冗余的组件的装置。

背景技术

过程控制系统、例如西门子的SIMATIC PCS 7用于使工程设施中的过程自动化并且一般分级地构造有多个层。在现场层上借助于现场设备检测技术过程的状态(传感器)或者有目的地影响过程(执行机构)。在控制层中，控制计算机(具有CPU单元的可编程逻辑控制器)实施现场相关的开环控制和闭环控制功能，其中，其从传感器、例如压力变换器接收输入值并且将输出值输出到执行机构、例如用于调节阀的位置调节器。在过程引导层上，在控制计算机中实现对过程的上级闭环控制和开环控制。

在现场设备与控制计算机之间的数据交换一般经由数字现场总线实现，例如经由PROFIBUS DP或PROFINET。因为现场设备一般自身不具有相应的现场总线端口，所以其经由分散的外围设备站连接到现场总线。外围设备站由用于连接到现场总线上的接口模块(头组件)和多个用于连接现场设备的外围组件(数字和模拟的输入输出组件)组成。外围组件能够具有一个或多个通道，在通道上能够分别连接有现场设备。

因此，DE 10 2004 034 451 A1例如公开了具有两个冗余的控制计算机的控制系统，在控制计算机上分别连接有外围组件。在两个外围组件上或者连接有执行机构、或者连接有传感器。两个控制计算机在没有干扰的情况下同时完成相同的控制程序，然而其中仅一个控制计算机在以下意义上是激活的，即其利用其输出值控制执行机构或处理从传感器获得的输入值，以便因此控制过程。在故障情况下，另一个完好的控制计算机承担对过程的控制。外围组件能够利用编程或参数化可选地作为输入或输出组件运行，其中其冗余地工作。

为了选择地、冗余或非冗余地检测双线测量值变换器，两个组件中的每个都包含电流或电压源，其经由以第一可控开关和第一电流传感器构成的串联电路与相应组件的第一线路端口连接。两个组件还分别具有第二线路端口和接地端口，在二者之间存在与第二可控开关串联的第二电流传感器。两个组件在其第一线路端口上经由第一线路并且在其第二线路端口上经由第二线路相互连接，其中，双线测量值变换器在这两个线路之间切换。根据可控开关的开关位置能够实现两个冗余的和两个非冗余的运行类型。在冗余的运行类型中，两个组件中的一个组件中的第一开关且相对应的另一个组件中的第二开关是闭合的，其中，测量值变换器的测量电流借助于一个组件中的第一电流传感器和另一个组件中的第二电流传感器被冗余地检测。在非冗余地运行类型中，仅闭合两个组件中的一个组件中的第一和第二开关，其中，在相关的组件中或者由第一电流传感器、或者由第二电流传感器检测测量电流。

两个外围组件的相互监控在DE 10 2004 034 451 A1中没有公开。

对于两个组件、例如两个外围组件的正常和安全的冗余运行来说，需要为组件中的每个都报告关于另一个组件的作用性的信息，以便例如阻止从激活的组件转换到不存在的或非作用的组件上。

发明内容

因此，本发明的目的在于，能够以较小的电路技术耗费实现两个冗余的组件的相互监控，其中，监控自身同样冗余地进行。

根据本发明，该目的通过具有第一组件和冗余的第二组件的装置实现，二者彼此相互监控，为此，

-两个组件中的每个都包含电流或电压源，其或者构造成能通断的且经由第一电流传感器与相应的组件的第一线路端口连接，或者经由以第一可控开关和第一电流传感器构成的串联电路与第一线路端口连接，

-两个组件中的每个还分别具有第二线路端口和接地端口，在二者之间第二电流传感器与第二可控开关串联，

-第一组件的第一线路端口经由第一线路与第二组件的第二线路端口连接，并且第二组件的第一线路端口经由第二线路与第一组件的第二线路端口连接，

-两个组件中的每个都构造用于，在作用状态中接通组件的电流或电压源并且闭合包含在组件中的第二可控开关或者闭合包含在组件中的两个可控开关，并且

-两个组件中的每个都包含监控装置，监控装置连接在包含于组件中的两个电流传感器上，当这两个电流传感器中的至少一个探测到电流时，监控装置生成将相对应的另一个组件识别为能作用的监控信号。

上述限定的装置的线路端口和线路仅用于两个组件的相互监控而不用于连接执行机构或测量值变换器。因此，当在根据本发明的装置的两个组件上要连接执行机构或测量值变换器-例如按照DE 10 2004 034 451A1已知的布线-时，这经由分开的线路端口和线路实现，分开的线路端口和线路不是本发明的对象。

在作用状态中、即插入组件时，为组件供给电流并且组件没有由于故障而自我切断。作用的组件能够是激活的又或者按照以下意义是非激活的，即其当前不执行组件特定的功能，但是能够为此而被激活。在根据本发明的装置中，在一个组件作用的情况下，可控开关是闭合的并且两个电流传感器是激活的，以便能够在两个线路的每个上都对电流进行探测。当另一个组件同样在作用状态中时，其可控开关也闭合，从而在两个线路中都流有电流。此时，两个组件中的每个都探测两个线路中的电流并且因此探测相对应的另一个组件的能作用性。当两个线路中的一个中断时，总是还由两个组件探测另一个线路中的电流并且因此探测相对应的另一个组件的能作用性。相反地，当两个组件中的一个不能作用时，其可控开关是打开的，从而在两个线路中没有电流流动并且因此另一个组件识别出一个组件的不能作用性。

因为对于两个组件的相互监控来说仅必须探测是否有电流流动，所以电流传感器能够分别构造为具有光发送器(例如发光二极管)和光接收器(例如光电二极管或光电晶体管)的光电耦合器。这除了特别小的电路技术耗费之外也具有以下优点，即由于电流隔离使得电流传感器的输出信号直接并且以悬浮电位(potentialfrei)传递到监控装置。

可替换地，电流能够根据电流测量电阻上的电压降被探测。当在两个组件的每个中这种电流测量电阻都利用其端口直接与相关组件的第二线路端口连接并且从那里导向另一个组件的线路是完好时，能够同时在两个组件中探测在该电流测量电阻上的电压降。在这种情况下，一个组件中的第一电流传感器和另一个组件中的第二电流传感器共享另一个组件中的共同的电流测量电阻，这减小了用于探测电流的电路技术耗费。

可控开关能够是半导体开关、例如晶体管开关或光电耦合器，其中，光电耦合器在此也具有以悬浮电位进行驱控的优点；这意味着，尽管一个组件的第一和第二可控开关处于不同的电流回路中，还能够以一个且同一个控制信号对二者进行驱控。当相应的组件中的电流或电压源是能通断的、例如在能开关的恒定电流源的情况下时，能够去除相关组件中的第一开关。

在本发明的一个设计方案中，一个或两个线路能够用于为了冗余运行而交换有用信息，对此，两个组件中的至少一个具有发送装置以用于使例如零均值的信息信号接入到两个线路的至少一个上，并且另一个组件包含用于接收信息信号的接收装置。信息例如能够是对于两个组件有效的控制指令，激活的组件从激活的控制计算机得到该信息并且传递给非激活的组件。当输入或输出值不存在、无效或不可靠时，使用替换值来代替输入或输出值。替换值例如能够是从组件最后获得的输出值，然而也能够是其它的、与常规的输出值不同的能参数化的值，以便例如报告故障或将执行机构(例如阀)驱控到安全的位置。这通过接入的信息信号来实现

从一个组件到另一个组件的信息传输例如能够利用对线路上的电流进行脉冲调制来实现，其中，以有利的方式能够应用一个组件中的、位于相关线路的电流路径中的可控开关并且该可控开关能够由发送装置以特定的脉冲暂停比或脉冲宽度比来接通和关断。另一个组件的、位于相关线路的电流路径中的电流传感器能够作为接收装置的功能组成部分用于探测脉冲调制的电流。在此应用光电耦合器也证实为特别有利的，因为其能够实现以悬浮电位驱控可控开关或者以悬浮电位探测脉冲调制的电流。

附图说明

为了进一步阐述本发明，下面参考附图来说明；详细示出的是：

图1是具有两个冗余的组件的冗余的控制系统的示意性框图，

图2是具有两个组件的根据本发明的装置的第一实施例，在组件中光电耦合器用作为开关和电流传感器，

图3是在组件中具有电流源和电流测量电阻的、根据本发明的装置的第二实施例，

图4是在组件中具有电压源和电流测量电阻的、根据本发明的装置的另一个实施例，并且

图5是可控的电流源的实例。

相同和功能相同的元件以相同的标号标注。

具体实施方式

图1示出了过程控制系统的局部图，过程控制系统具有在过程控制层中的控制装置1、在控制层中的可编辑逻辑控制器形式的第一和第二控制处理器2、3以及在现场层上的执行机构4。现场层包含另外的、在此未示出的现场设备，其以传感器的形式检测技术过程的状态并且构造为执行机构且有计划地影响过程。控制装置1和控制计算机2、3经由设备总线5(例如以太网)相互连接。为了生成用于执行机构4的输出值，这两个控制计算机2、3在冗余运行中分别执行一个且同一个控制或应用程序，其中，它们还处理经由分离的数字现场总线6、7(例如PROFIBUS DP)获得的来自传感器的输入值。现场设备到这两个控制计算机2、3的现场总线6、7的连接利用第一和第二分散式外围设备站8、9实现。这两个外围设备站8、9中的每个都由用于连接到相应的现场总线6、7的接口模块(头组件)10、11和多个单通道或多通道的外围组件组成，在此对于每个站分别仅示出其中一个输出组件12、13。执行机构4经由退耦二极管14、15连接到这两个输出组件12、13的信号输出端16、17上。接口模块10、11从相应的控制计算机2、3获得用于执行机构4的输出值，接口模块将输出值传递到输出组件12、13，其中，二极管14、15为执行机构4选言地(或)联结数字值并且加上模拟值(电流)。两个输出组件12、13是激活的。它们在无故障的冗余运行中获得两个相同的输出值。这两个控制计算机2、3彼此相对应地校准。可替换地，这两个组件中的仅一个、例如12是激活的并且将从控制计算机2获得的输出值传递到执行机构4。

接口模块10、11分别监控其所连接的现场总线6、7，并且在干扰情况、例如在控制计算机故障(例如运行状态STOPP、线缆拔出等)的情况下向相关的外围设备站8、9的所有输出组件发出指令以用于输出替换值，其例如呈最后获得的输出值形式。

图2示出了具有两个冗余的组件21、22的根据本发明的装置的实例，它们能够是图1的两个输出组件12、13或任意其它组件类型。这两个组件、即第一组件21和第二组件22构造相同并且分别包含用于实施组件特定的功能的功能单元23、24，在该功能范畴中接收输入数据25并且生成输出数据26。

第一组件21包含电流源27(或者可替换地包含电压源)，其经由以第一可控开关28和第一电流传感器29构成的串联电路与第一线路端口30连接。组件21还包含第二电流传感器31，其和位于第二线路端口33与地之间的第二可控开关32串联。在所示的实施例中，可控开关28、32和电流传感器29、31分别由具有发光二极管和光电晶体管的光电耦合器构成。

在作用状态中、即插入组件21时，供给有电流并且没有由于故障而自我切断，功能单元23就生成控制信号34，其用于闭合可控开关28、32。在作用状态中，组件21能够是激活的又或者按照以下意义是非激活的，即其当前不执行组件特定的功能，但是能够为此而被激活。

两个电流传感器29、31设置用于，探测流过第一和第二线路端口30、33的电流并且将其报告给监控装置35，当这两个电流传感器29、31中的至少一个探测到电流时，该监控装置为功能单元23生成监控信号36。

冗余的第二组件22同样包含第一可控开关37和第一电流传感器38以及第二电流传感器41，第一电流传感器在电流源39(或电压源)与第一线路端口40之间，第二电流传感器与位于第二线路端口43与地之间的第二可控开关42串联。在此，可控开关37、42和电流传感器38、41也由光电耦合器构成。

在第二组件22的作用状态中，功能单元24生成控制信号44，其用于闭合可控开关37、42。两个电流传感器38、41将经由第一和第二线路端口40、43发生的电流报告给监控装置45，当这两个电流传感器38、41中的至少一个报告这种电流时，该监控装置为功能单元24生成监控信号46。

第一组件21的第一线路端口30经由第一线路47与第二组件22的第二线路端口43连接。第二线路48使第二组件22的第一线路端口40与第一组件21的第二线路端口33连接。因此，第一组件21中的第一电流传感器29和第二组件22中的第二电流传感器41探测在第一线路47上的可能的电流，而第二组件22中的第一电流传感器38和第一组件21中的第二电流传感器31探测在第二线路48上的电流。

在第一组件21作用时，可控开关28、32是闭合的并且两个电流传感器29、31是激活的，以便能够在两个线路47、48的每个上都对电流进行探测。当另一个组件22同样处于作用状态时，其可控开关37、42也是闭合的，从而在两个线路47、48中流有电流。第一组件21中的电流传感器29、31和第二组件22中的电流传感器38、41在两个线路47、48上对电流进行探测，从而分别布置在下游的监控装置35和45生成将另一个组件22或21表征为能作用的监控信号36或46。即使当两个线路中的一个、例如47中断时，总是还由两个组件21、22探测到另一个线路中的电流并且因此探测到相对应的另一个组件的能作用性。相反地，例如当组件22没有插入或不能作用时，其可控开关37、42是打开的，从而在两个线路47、48中没有电流流过并且第一组件21根据电流传感器29、31没有探测到电流来识别出第二组件22的不能作用性。

为了为冗余运行交换有用的信息，第一组件21包含用于将功能单元23所生成的信息信号50接入到第一线路47上的发送装置49和用于接收经由第二线路48从第二组件22获得的信息信号52的接收装置51。发送装置49和接收装置51受功能单元23控制。在结构相同的第二组件22中，接收装置53接收经由第一线路47从第一组件21获得的信息信号50，而发送装置54将信息信号52接入到第二线路48上。

在所示的实施例中，利用对相应的电流源27、39提供的电流进行脉冲调制将信息信号50、52接入到线路47、48上，为此使用可控开关28、37(或可替换地使用开关32、42)，可控开关因此是相应的发送装置的组成部分。通过电流传感器31、41探测电流的脉冲调制以及接收信息信号，电流传感器因此是相应的接收装置的组成部分。

如接下来所阐述的那样，代替图2中所示的光电耦合器，对于可控开关和/或电流传感器能够应用其它的器件、例如电机械开关或半导体开关或电流测量电阻。

图3示出了用于根据本发明的装置的替换性实例，其中，第一组件21中的第一电流源27和第二组件22中的第二电流源39分别经由第一和第二分流器接地。第一分流器具有第一电阻60和第二电阻61，其中，第一电阻60与第一可控开关62一起布置在第一组件21中，并且第二电阻61与第二可控开关63串联地布置在第二组件22中。第一分流器的布置在不同组件21、22中的电阻60、61经由第一线路47相互连接。第一可控开关62位于第一线路与第一电流源27或与其并联的第一电阻60之间。

与第二电流源39连接的第二分流器同样具有第一电阻64和第二电阻65，其中，第一电阻64与第一可控开关66一起布置在第二组件22中，并且第二电阻65与第二可控开关67串联地布置在第一组件21中。第二分流器的布置在不同组件21、22中的电阻64、65经由第二线路48相互连接。第一可控开关66位于第二线路48与第二电流源39或与其并联的第一电阻64之间。

当第一开关62和66打开时，两个分流器的各自的第一电阻60、64引导电流源27和39的电流。在此，第一电阻60、64的规格为，其上的电压降不超过最大值。在具有电流限制的真实电流源27、39的情况下，第一电阻60、64能够由相关的电流源的内阻形成。

借助于由功能单元23、24生成的控制信号34、44以如下的方式驱控可控开关62、63、66、67，即当第一组件21作用时就闭合第一组件21中的开关62和67，并且当第二组件22作用时就闭合第二组件22中的开关66和63。可控开关62、63、66、67例如能够是半导体开关，例如晶体管或MOSFETs、光电耦合器或电机械开关(中继开关Relaisschalter)。

在两个组件21、22的每个中，监控装置68和69连接到两个线路47、48上，其检测在这些线路47、48中的每个与地之间的电压，并且当所检测的两个电压中的至少一个具有对应于在开关62、63、66、67闭合的情况下在第二电阻61、65上预期的电压降的值时，监控装置生成将另一个组件标识为能作用的监控信号36、46。

假设所有电阻60、61、64、65大小相同并且具有值R。电流源27、39分别提供电流I。当两个组件21、22作用时，所有开关62、63、66、67是闭合的并且两个监控装置68、69在两个线路47、48上分别检测到电压U＝I/2·R。这为两个监控装置68、69中的每个都指示出，另一个组件是能作用的。

例如当现在线路48断开时，没有电流经过电阻65，从而使电流源39的电流I仅流过电阻64并且生成电压降U＝I·R。第一组件21中的监控装置68在线路47处测量到电压U＝I/2·R并且在线路48处测量到零值。第二组件22中的监控装置69在线路48处测量到电压U＝I·R并且在线路47处测量到电压U＝I/2·R。因为由监控装置68检测到的电压中的至少一个和由监控装置69检测到的电压中的至少一个为U＝I/2·R，所以尽管线路48断开这两个监控装置68、69仍确定另一个相对的组件的能作用性。

当第二组件22在线路47、48完好的情况下作用时，其开关63、66是打开的。作用的第一组件21的开关62、67是闭合的。第一监控装置68在线路47处测量到电压U＝I·R并且在线路48处测量到零值。因为检测到的这两个电压不同于U＝I/2·R，监控装置68因此识别出故障或者另一个相对的组件22不存在。

如图2的实例中一样，利用对线路47、48中流动的电流进行脉冲调制能够传输和接收在组件21、22之间交换的信息50、52。在零均值的调制情况下，在线路47、48上的电流的平均值能够用于组件21、22的相互监控，并且不受到用于信息传输的调制分量的干扰。信息能够以不同的方式、例如感应地调谐(aufmoduliert)到线路47、48中的电流上并且以相同的方式被接收。

图4示出了用于两个冗余的组件21、22的另一个实例，其与图3的实例的区别在于，作为电流源的替换，在不同的组件21、22中存在第一和第二电压源70、71。电阻60、61形成第一分压器，经由其使得第一电压源70与地连接。电阻64、65形成第二分压器，经由其使得第二电压源71与地连接。

假设所有电阻60、61、64、65大小相同并且具有值R。电压源70、71分别提供电压U。当两个组件21、22作用时，所有开关62、63、66、67是闭合的并且两个监控装置68、69在两个线路47、48处分别检测到电压U/2。这为两个监控装置68、69中的每个都指示出，相对应的另一个组件是能作用的。在线路48中断的情况下，第一组件21中的监控装置68在线路47处测量到电压U/2并且在线路48处测量到零值。第二组件22中的监控装置69在线路48处测量到电压U并且在线路47处测量到电压U/2。因为由监控装置41检测到的电压中的至少一个和由监控装置42检测到的电压中的至少一个为U/2，尽管线路48断开这两个监控装置68、69仍确定相对应的另一个相对的组件的能作用性。

最后，图5示出了电流源27或39的构造为能开关的恒定电流源的实例，从而能够去除相关的组件21、22中的第一开关28、37(图2)或62、66(图3)。

Claims (8)

1.一种具有第一组件(21)和冗余的第二组件(22)的装置，所述第一组件与所述第二组件彼此监控，其中，

这两个组件(21、22)中的每个都包含电流或电压源(27、39)，所述电流或电压源或者构造成能通断的且经由第一电流传感器(29、38)与相应的组件的第一线路端口(30、40)连接、或者经由以第一可控开关(28、37)和所述第一电流传感器(29、38)构成的串联电路与所述第一线路端口(30、40)连接，

这两个组件(21、22)中的每个还分别具有第二线路端口(33、43)和接地端口，在所述第二线路端口与所述接地端口之间第二电流传感器(31、41)与第二可控开关(32、42)串联，

所述第一组件(21)的所述第一线路端口(30)经由第一线路(47)与所述第二组件(22)的所述第二线路端口(43)连接，并且所述第二组件(22)的所述第一线路端口(40)经由第二线路(48)与所述第一组件(21)的所述第二线路端口(33)连接，

这两个组件(21、22)中的每个都构造用于，在作用状态中接通所述组件的所述电流或电压源(27、39)并且闭合包含在所述组件中的所述第二可控开关(32、42)或者闭合包含在所述组件中的两个可控开关(28、32、37、42)，并且

这两个组件(21、22)中的每个都包含监控装置(35、45)，所述监控装置连接在包含于所述组件中的两个电流传感器(29、31、38、41)上，当这两个电流传感器(29、31、38、41)中的至少一个探测到电流时，所述监控装置生成将相对应的另一个组件识别为能作用的监控信号(36、46)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流传感器(29、31、38、41)分别构造为光电耦合器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流传感器分别具有电流测量电阻(61、65)，并且所述监控装置(68、69)构造用于检测在所述电流测量电阻(61、65)上的电压降。

4.根据权利要求3中所述的装置，其特征在于，一个所述组件(21)中的所述第一电流传感器和相对应的另一个所述组件(22)中的所述第二电流传感器具有共同的、在相对应的另一个所述组件中的所述电流测量电阻(61、65)，所述电流测量电阻在一侧与相对应的另一个所述组件的所述第二线路端口(43、33)连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述可控开关(28、32、37、42)分别构造为光电耦合器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，这两个组件(21、22)中的至少一个具有发送装置(49、54)，所述发送装置用于使信息信号(50、52)接入到两个线路(47、48)中的至少一个线路上，并且相对应的另一个所述组件包含用于接收所述信息信号(50、52)的接收装置(51、53)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在这两个组件(21、22)中的至少一个中存在的所述可控开关(28、37)中的一个可控开关是所述发送装置(49、54)的组成部分，并且所述发送装置(49、

54)构造用于通过所述可控开关(28、37)脉冲调制由所述电流或电压源(27、39)提供的电流。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在相对应的另一个所述组件中存在的所述电流传感器(31、41)中的一个电流传感器是所述接收装置(51、53)的组成部分，以便接收脉冲调制的电流。